Cum au devenit zonele radioactive de la Cernobîl și Fukushima puncte de întâlnire pentru animale40 min read
Stresate de activitățile umane, tot mai multe vietăți și-au găsit refugiul în habitate radioactive. Însă nu totul e atât de roz precum pare. Iată cum afectează radioactivitatea mediul înconjurător.
Substanțele radioactive și efectele acestora asupra organismelor vii au fost destul de puțin înțelese până relativ recent în istoria omenirii, mai ales că // „Radiation: Effects and sources”, wedocs.unep.org // a fost descoperită de abia la sfârșitul secolului al XIX-lea de Henri Becquerel și Marie Curie, în urma studiului unor săruri de uraniu, iar cea artificială e și mai recentă. Nu înseamnă însă că omenirea nu a învățat (prea) multe lucruri despre radioactivitate în ultimul secol și jumătate.
De domeniu se ocupă fizica atomică, o ramură care studiază atomul în totalitatea sa (nucleul și învelișul de electroni). Fizica atomică stă la baza a numeroase aplicații din medicină (imagistică, medicina nucleară etc.), geologie, paleontologie și arheologie (datarea cu radiocarbon și alți radioizotopi), ingineria materialelor, industria energetică și alte ramuri industriale (precum industria armamentului), dar și în agricultură.
Și, deși radioactivitatea este un concept perceput de mulți ca negativ, viața pare că își poate face cu succes loc și în astfel de zone. Plantele și animalele din zonele radioactive, precum Cernobîl și Fukushima, au demonstrat o capacitate surprinzătoare de adaptare la noile condiții. În absența presiunilor antropice, multe specii sălbatice au reușit să se dezvolte într-un mediu contaminat. Cercetările au arătat că diverse specii de animale, inclusiv mistreți, iepuri, macaci, fazani și vulpi, prosperă în aceste zone, profitând de lipsa oamenilor și de perturbările asociate cu activitățile umane.
Pentru început, puțină chimie. Și fizică atomică
Materia este alcătuită din atomii diferitelor elemente chimice. Atomul reprezintă cea mai mică unitate a materiei care păstrează proprietățile chimice ale elementului chimic reprezentat. Fiecare atom este alcătuit dintr-un nucleu dens și un înveliș de electroni (particule negative). În nucleu se găsesc protoni (particule pozitive) în număr egal cu electronii, precum și neutroni (particule neutre, fără sarcină electrică).
Tabelul periodic al elementelor chimice prezintă aranjate, în ordinea numărului atomic, toate elementele chimice cunoscute până în prezent. El conține chiar și unele elemente care nu au fost până acum observate, dar au fost prezise cu ajutorul calculelor matematice. În tabelul elementelor chimice, în dreptul fiecărui element se observă valori care indică detalii precum numărul atomic (numărul de protoni) și numărul de masă (numărul de protoni + neutroni).
Toate elementele chimice sunt diferite între ele, deoarece au număr diferit de protoni. De asemenea, toate elementele chimice prezintă izotopi, variante ale aceluiași atom – cu același număr de protoni (deci aceleași proprietăți chimice), dar cu un număr diferit de neutroni (ca urmare, au altă masă, ceea ce conduce la alte proprietăți fizice). Unii izotopi sunt stabili și nu emit radiații. Izotopii instabili se numesc radioizotopi sau izotopi radioactivi și emit energie sub formă de radiații (majoritatea ionizante) pentru a reveni într-o stare stabilă.
Radiația ionizantă are suficientă energie pentru a scoate electronii de pe orbitele lor din jurul atomilor, ceea ce creează atomi încărcați electric, numiți ioni. Radiația ionizantă poate fi de mai multe tipuri, în funcție de de particulele eliberate, cele mai comune fiind emise în urma dezintegrărilor de tip α (alfa), β (beta) și γ (gama). Radiațiile de tip alfa și beta sunt caracterizate prin emiterea de particule alfa, respectiv beta. Radiațiile gama reprezintă o formă de radiație electromagnetică de înaltă energie și sunt cele mai ușor absorbite de organisme. Binecunoscutele raze X sunt și ele un tip de radiație electromagnetică, similare radiației gama, dar reprezentate prin fotoni cu o energie mai scăzută. Razele X pot fi generate artificial atunci când este necesar, ceea ce are aplicabilitate în industrie și medicină.
Deși toți radioizotopii sunt instabili, unii sunt mai instabili decât alții. Astfel, în timp, atomii radioactivi ai unui element se vor transforma în mod spontan, în urma pierderii de energie emisă odată cu particulele α și/sau β, în atomii altui element mai stabil (care pot fi, la rândul lor, izotopi radioactivi sau stabili). Acest fenomen se numește dezintegrare radioactivă sau transmutație nucleară naturală.
De exemplu, radioizotopul de uraniu-238 (cu 92 de protoni și 146 de neutroni) suferă o serie de transformări atomice însoțite de emitere de radiații și particule atomice, până ce ajunge la un atom cu 82 de protoni și 124 de neutroni, adică un atom stabil de plumb-206. Perioada de timp necesară pentru ca jumătate din cantitatea unui element radioactiv să se dezintegreze și să se transforme în alt element se numește timp de înjumătățire.
Radioactivitatea naturală și cum o poți stabili cu ajutorul unei banane
Deși se cunosc peste 3.000 de radioizotopi, majoritatea sunt produși artificial în reactoare nucleare și acceleratoare de particule, în scop de cercetare. Doar 84 de izotopi radioactivi pot fi întâlniți în mod natural și constituie sursa radiației ionizante de fond la care oamenii sunt expuși constant.
Unitatea de măsură a radiației ionizante se numește Sievert (Sv), iar oamenii sunt expuși la o doză naturală medie anuală de radiații ionizante de aproximativ 2,4 mSv/an (medie globală), ceea ce reprezintă circa 80% din doza efectivă medie totală primită de om, restul de 20% provenind din surse artificiale de radiaţii ionizante. 2,4 mSv/an este echivalentul unei doze medii de 0,1-0,2 µSv/h.
Radiațiile produc modificări la nivel celular, și chiar moartea celulelor, care survine în urma leziunilor de la nivelul structurii ADN din nucleu. Dacă numărul de celule afectate și/sau moarte este suficient de mare, atunci organele pot ceda și poate surveni moartea. Leziunile ADN sunt de obicei reparate, dar în cazul în care mecanismele de reparare nu funcționează perfect, apar modificări numite mutații, care vor fi transmise mai departe prin diviziune celulară. Unele astfel de mutații sunt cauza apariției unor forme de cancer. Dacă mutațiile apar în celulele reproducătoare, atunci aceste mutații pot fi transmise urmașilor și pot fi cauza unor maladii genetice ereditare.
Unul dintre cele mai simple moduri prin care poți să înțelegi cum stă treaba cu radiația nucleară la care oamenii sunt expuși este oferit de // Îl poți urmări aici: youtu.be // El te îndeamnă să utilizezi o banană pentru a compara cât de radioactive sunt lucrurile sau locurile care te înconjoară.
Dar de ce o banană? Ei bine, poate știi deja că bananele conțin mult potasiu. În același timp, ele conțin și un izotop radioactiv al potasiului (potasiu-40) prezent în mod natural și ingerat constant. Așadar, de fiecare dată când mânânci o banană de dimensiuni medii, ești expus la o doză de radiații ionizante de aproximativ 0,1 µSv și devii, la rândul tău, ușor (dar foarte ușor!) radioactiv.
Printre persoanele cele mai expuse la radiații ionizante se numără cele care zboară cu avionul la înălțimi mari (0,5-2,2 µSv/h), cele care vizitează centrala de la Cernobîl (5 µSv/h sau echivalentul unei radiografii dentare sau a 50 de banane), persoanele supuse unei investigații CT (7000 µSv/h sau 70.000 de banane).
Astronauții primesc o doză semnificativă de radiații de 80.000 µSv/6 luni (sau 800.000 de banane), spre deosebire de personalul care lucrează într-o centrală atomică din SUA, expus la aproximativ 50.000 µSv/an. La fel de expuși la radiații ionizante sunt fumătorii, mai exact plămânii acestora, care primesc și ei, la fel ca astronauții, o doză de 160.000 µSv per an.
Însă organismul uman și toate organismele vii, fiind constant supuse unei radiații de fond, au dezvoltat mecanisme de apărare și de reparare a materialului genetic și a țesuturilor. Astfel, dacă un organism nu este supus unei doze foarte mari de radiații ionizante într-un timp foarte scurt (doză acută), el se poate vindeca în timp, prin acțiunea mecanismelor celulare și nucleare acționând pentru repararea leziunilor apărute la nivelul nucleilor din celulele vii.
Concluzia este că, atât în cazul radiațiilor ionizante, ca și în cazul consumului de banane, doza și durata expunerii sunt foarte importante: poți mânca cu ușurință (și plăcere chiar) 1.000 de banane în 10 ani, dar sigur nu vrei (și nici nu poți) să le mănânci pe toate odată.
Accidentele nucleare, un fel de experimente pe scară largă de timp
Toate zonele care prezintă un nivel de radioactivitate ridicat, peste nivelul radiației de fond (mine de uraniu scoase din uz, zone de testare a bombelor atomice, precum și zone afectate de accidente nucleare precum cele de la Cernobîl sau Fukushima), pot fi utilizate drept „laboratoare” pentru studiul efectelor radiațiilor ionizante asupra organismelor vii.
Avantajele unor astfel de „laboratoare” sunt reprezentarea la scară relativ largă. Spre deosebire de un vas Petri, o seră sau un acvariu, pot fi studiate și organisme de talie mare (spre exemplu, diferite specii de copaci sau mamifere terestre/marine), poate fi studiat ciclul natural al radioizotopilor și absorbția, acumularea sau eliminarea acestora din organisme, precum și efectele expunerii de lungă durată la doze subletale de radiație a organismelor, în particular, dar și a populațiilor și ecosistemelor, în general.
De asemenea, pot fi extrapolate și efectele expunerii de lungă durată la radiații cosmice (radiații cu care iau contact astronauții, dar și restul lumii, atunci când zboară la altitudini mari).
Pădurea Roșie, o pădure fantomă
În primele zile de la accidentul nuclear de la Cernobîl, majoritatea pinilor (Pinus sylvestris) pe o rază de 4-6 km în jurul centralei nucleare au fost expuși unor doze letale de radiații ionizante și au murit în decurs de câteva zile. Acele acestor pini s-au colorat în portocaliu (ruginiu), dând naștere așa-numitei „Păduri Roșii”, care rămâne până în ziua de astăzi unul dintre cele mai contaminate radioactiv locuri de pe Pământ.
// „Acute and long-term effects of irradiation on pine (Pinus silvestris) strands post-Chernobyl”, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov // realizat în primii cinci ani după accidentul de la Cernobîl a observat și analizat influența radiațiilor ionizante asupra pădurii din jurul centralei nucleare pe o rază de zece kilometri. Efectul radiațiilor asupra pădurii scade însă odată cu distanța față de centrală – cei mai afectați sunt arborii din imediata apropiere a centralei, expuși la o doză letală de radiații pe o rază de patru-șase kilometri.
Se pare că acești arbori au avut un rol protector, în urma acumulării prafului radioactiv și aerosolilor emiși de reactorul afectat. Pădurea a acționat precum o perdea – a interceptat particulele radioactive și a redus dispersia acestora în afara razei de zece kilometri. S-a estimat că arborii au absorbit aproximativ 80% din radiația totală emisă de radioizotopii înglobați la nivelul pădurii.
Regenerarea pădurii în urma exploziei nu s-a realizat uniform și a depins de nivelul de iradiere la care a fost supusă vegetația. Trebuie ținut cont și de faptul că coniferele sunt mult mai sensibile la radiațiile nucleare decât foioasele. Astfel, specii de anin, plop, mesteacăn și stejar au înlocuit pinii din zonele înalt afectate. Unele dintre regiunile din zona de excludere au fost replantate cu specii native. Au fost preferați cu precădere lăstari/puieți de mesteacăn și pin, considerați mai stabili din punct de vedere ecologic.
Microorganismele, influențate de radioactivitate
Una dintre „ciudățeniile” observate în zona de excludere din jurul centralei nucleare de la Cernobîl este aceea că frunzișul căzut al copacilor nu se mai descompune cu aceeași viteză ca într-o pădure normală, neafectată de radiații.
Se pare că acest lucru se datorează faptului că microorganismele descompunătoare care se „ocupă” cu degradarea materiei organice și reintroducerea elementelor simple, precum carbonul sau azotul, în ecosisteme se dezvoltă și rezistă mai greu în zone cu niveluri crescute ale radiației de fond. Acestea sunt printre cele mai afectate organisme din zonă, iar impactul este destul de mare – atunci când materia organică nu este descompusă, solul // „Highly reduced mass loss rates and increased litter layer in radioactively contaminated areas”, link.springer.com //
De asemenea, frunzișul care nu se descompune devine un adevărat pericol, mai ales în contextul schimbărilor climatice din ultimii 20 de ani, caracterizate de precipitații din ce în ce mai rare și creșterea temperaturilor. În aceste condiții, riscul de incendii de vegetație crește.
Un alt factor care a contribuit la scăderea umidității din sol este reprezentat de unele măsuri de decontaminare care au presupus, printre altele, și defrișarea și îngroparea unor regiuni întregi din Pădurea Roșie, înlăturarea stratului superior de sol și acoperirea ulterioară a terenului cu nisip. Toate aceste acțiuni au condus la reducerea considerabilă a humusului din sol – amestecul de substanțe organice complexe rezultate în urma descompunerii materiei vegetale, animalelor moarte și a excrementelor animalelor.
Combinația dintre aceste condiții deosebite de uscăciune puternică și acumularea semnificativă, timp de aproape 40 de ani, a unui material vegetal ușor inflamabil, poate conduce la producerea unor incendii puternice. Astfel de evenimente notabile au culminat cu anul 1986 și, odată cu trecerea timpului, au devenit mai dese și de proporții tot mai mari.
Cel mai recent incendiu care a îngrijorat cercetătorii a avut loc în aprilie 2020, când focul a cuprins faimoasa Pădure Roșie. Cel mai îngrijorător în astfel de cazuri este că odată cu fumul rezultat în urma arderii vegetației pot fi antrenate și particule de praf radioactiv care pot fi apoi împrăștiate de vânt pe distanțe impresionante.
Incendii radioactive
În anul 2014, a fost publicat un studiu al unei echipe internaționale de cercetători privind potențialul impact asupra sănătății publice, dar și a animalelor și plantelor, al unor eventuale incendii scăpate de sub control în zona de excludere // „Wildfires in Chernobyl-contaminated forests and risks to the population and the environment: A new nuclear disaster about to happen?”, sciencedirect.com //
Echipa a modelat mai multe scenarii pornind de la seria de incendii din 2010 în zonele contaminate. Emisiile de cesiu-137 estimate în urma acestor incendii ipotetice sunt clasificate ca „înalte” pe // International Nuclear and Radiological Event Scale – INES, news.iaea.org // cu distribuția precipitațiilor radioactive asupra întregului continent european, dar concentrată în special în Europa de Vest, regiune înalt populată.
Efectele acestor scenarii ar fi exacerbate în special în apropierea pădurilor, din cauza asimilării și fixării radioizotopilor în corpul plantelor, precum și ca urmare a obiceiurilor alimentare ale populațiilor locale de oameni și animale sălbatice.
Pentru evitarea unor astfel de situații, echipe de specialiști supraveghează constant toată zona de excludere din jurul centralei nucleare de la Cernobîl, iar nivelul de radiație din aer și de la baza solului sunt monitorizate constant.
Iubitoare de radiații
Deși majoritatea microorganismelor nu rezistă la doze prea mari de radiații ionizante, există totuși o specie care nu numai că suportă astfel de doze, ci chiar prosperă în aceste condiții extreme, hrănindu-se cu material radioactiv. Este vorba de o tulpină a unei specii patogene de fungi denumită Cryptococcus neoformans, descoperită în apropierea faimosului „picior de elefant” din centrala atomică de la Cernobîl (o formațiune din coriu – amestec de substanțe rezultat în urma topirii unui reactor nuclear) în 1991. Această tulpină este mai deosebită, pentru că celulele conțin o cantitate semnificativă de melanină. Este vorba de aceeași substanță secretată de celulele pielii umane pentru protecția în fața efectelor negative ale radiațiilor UV. În cazul acestei tulpini extremofile, melanina absoarbe radiația ionizantă pe care apoi o transformă în energie chimică printr-un proces similar cu fotosinteza de la plante, numit de cercetători // „Ionizing Radiation Changes the Electronic Properties of Melanin and Enhances the Growth of Melanized Fungi”, journals.plos.org //
O serie de alte microorganisme, în special fungi și bacterii, sunt rezistente la doze semnificative de radiații ionizante. Ele sunt numite specii radiotrofe și utilizează procesul de radiosinteză pentru a produce energie. Aceste specii ar putea fi extrem de utile în procese de bioremediere și înlăturare a deșeurilor radioactive din diverse medii, prin // „How Do Microbes Remove Radioactive Waste?”, asm.org //
Efectele radiațiilor asupra animalelor și plantelor
Deși multe dintre animalele și plantele aflate în zonele afectate sau în apropiere la momentul producerii accidentelor nucleare mor în primele ore sau zile după ce au fost expuse la doze letale de radiații ionizante, în timp, natura își reintră în drepturi și recucerește zonele în care omul nu mai poate supraviețui. Nu înseamnă că animalele și plantele nu suferă boli sau mutații sau nu au o creștere încetinită, dar majoritatea populațiilor din aceste zone sunt de-a dreptul „înfloritoare”. Însă lucrurile nu sunt chiar atât de roz precum par la prima vedere.
Cel mai adesea, dacă în populații se nasc indivizi afectați negativ de expunerea cronică (continuă) la doze subletale de radiație, aceștia nu vor ajunge să producă urmași. Doar organismele rezistente și adaptate la mediu, prin prezența unor mutații sau variante genice în genom, care le ajută într-un fel sau altul să supraviețuiască fără probleme prea mari expunerii la radiații ionizante, se vor reproduce, iar urmașii vor prezenta aceleași caractere favorabile pentru mediul lor de viață.
Toate speciile de animale și plante localizate în // Zonele de excludere implementate în jurul accidentelor nucleare sunt diviziuni teritorial administrative înființate cu scopul de a preveni accesul persoanelor neautorizate în locurile înalt contaminate radiologic. Aceste zone au rolul de a preveni extinderea contaminării radiologice în locuril neafectate. De asemenea, este interzisă locuirea permanentă și consumul de alimente precum ciuperci, fructe de pădure, vânat etc. procurate din interiorul unei astfel de zone. // din jurul celor două centrale nucleare de la Cernobîl și Fukushima au fost și sunt expuse constant la doze joase, subletale, de radiație ionizantă. // „Genetic and Ecological Studies of Animals in Chernobyl and Fukushima”, academic.oup.com // realizate până acum au arătat prezența unor modificări morfologice, fiziologice și genetice la nivelul tuturor speciilor de mamifere, păsări, amfibieni, pești și nevertebrate studiate în aceste zone. Ratele mutaționale din populațiile de animale prezente în zonele contaminate de la Cernobîl sunt sensibil mai mari și conduc la instabilitate genomică de-a lungul generațiilor, cu efecte adverse manifestate la nivelul celular și sistemic al întregului organism.
Studiile pe termen lung asupra populațiilor de animale sălbatice, dar și asupra celor experimentale din zonele puternic contaminate radioactiv au arătat un nivel ridicat de îmbolnăviri sau decese, similare cu cele observate la om: o frecvență crescută a tumorilor și a imunodeficiențelor, scăderea speranței de viață, îmbătrânirea prematură, modificări ale chimiei sângelui și la nivelul sistemului circulator, malformații și alți factori care compromit sănătatea.
Omul, mai dăunător pentru natură decât radiațiile
Însă, poate cel mai impresionant, este faptul că factorul uman pare a fi mult mai dăunător pentru natura sălbatică, comparativ cu efectele radiațiilor ionizante.
Atât la Cernobîl, cât și la Fukushima, după decontaminarea ecosistemelor, animalele sălbatice au găsit un refugiu greu de refuzat în zonele abandonate de om. Deși supuse unor doze cronice de radiații ionizante, care scad odată cu îndepărtarea de centrul accidentelor nucleare, animalele sălbatice supraviețuiesc și se bucură de // „Long-term wildlife impacts at Chornobyl, Fukushima may yield ‘a new ecology’”, news.mongabay.com //
Prin urmare, zona de excludere din jurul centralei nucleare de la Cernobîl a fost declarată rezervație radiologică în Bielorusia din 1988 și în Ucraina din 2017.
Eforturile de decontaminare și replantare a pădurii din zona de excludere din jurul centralei nucleare au fost urmate de introducerea în regiune în perioada anilor 1990 a unor specii de animale protejate reprezentate de zimbru (sau bizonul european, Bison bonasus) și calul lui Przewalski (calul sălbatic mongol, Equus ferus przewalskii).
Pe lângă aceste specii, se pare că populația de castor european (Castor fiber) a revendicat cursul râurilor, recreând mlaștinile Pripyatului care din anii 1920 și până la accidentul nuclear din 1986 au fost folosite ca terenuri agricole, ajutând astfel la refacerea naturală a ecosistemelor de mlaștină.
Ca urmare a acestor modificări ecologice, numeroase păsări migratoare folosesc ca popas aceste mlaștini, iar populațiile de mamifere mari (lupi, zimbri, mistreți etc.) se dezvoltă și par a fi sănătoase.
Aceeași tendință a naturii de a-și reintra în drepturi a fost observată și în zona de excludere din jurul centralei de la Fukushima. Animalele sălbatice se dezvoltă în voie, populațiile nemaifiind deranjate de prezența omului și activitățile sale atât de disruptive pentru viața sălbatică.
Dezastrele nucleare de la Cernobîl și Fukushima reprezintă o oportunitate unică pentru analiza efectelor genetice, ecologice și evolutive determinate de expunerea acută și cronică a populațiilor naturale la radiații ionizante pe scară largă, la nivel regional.
// „Ionizing Radiation, Higher Plants, and Radioprotection: From Acute High Doses to Chronic Low Doses”, frontiersin.org // sugerează că radiațiile ionizante au numeroase efecte asupra sistemelor biologice, de la molecule până la ecosisteme, influențând compoziția și funcțiile acestora pe termen lung. Studiile realizate în zone puternic contaminate radioactiv și neafectate de presiuni antropice indică apariția unor „noi ecosisteme” în care natura nu suferă, dar nici nu prosperă, ci este pur și simplu diferită, adaptată la noile condiții.
Așadar, aceste evenimentele tragice din istoria recentă a umanității ar putea fi considerate adevărate experimente la scară largă pe baza cărora se pot extrapola metodele necesare pentru refacerea și recuperarea ecosistemelor afectate de radiații nucleare, dar și cele cu aplicabilitate în explorarea spațiului. Cu cât este cunoscut și înțeles mai bine fenomenul radioactivității și efectele sale asupra viului, cu atât omul va putea să se protejeze mai ușor împotriva lor și va putea utiliza energia nucleară în siguranță.
Rubrica Jurnal de naturalist este o colaborare între Muzeul Național de Istorie Naturală „Grigore Antipa” și Mindcraft Stories și conține texte realizate de cercetătorii muzeului, care-și propun să ofere cititorilor articole despre biodiversitatea din România.